(57)【要約】【課題】  セパレータ基材への金の良好な密着性を維持しつつ金の使用量の削減を図り、コスト低減を図る。【解決手段】  金属製のセパレータ基材１０の表面に、導電性を有しかつ金の拡散を抑制する下地材に金を添加した混合材からなる第１コート層１２を形成し、第１コート層１２上に金メッキを施して、金からなる第２コート層１３を形成し、これら第１コート層１２及び第２コート層１３からなるコート層１１に電極を接触させる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流路が形成されてなるセパレータであって、
金属製のセパレータ基材と、該セパレータ基材上に形成されたコート層とを有し、
前記コート層は、導電性を有しかつ金の拡散を抑制する下地材に金を添加した混合材から形成された第１コート層を備えることを特徴とするセパレータ。
【請求項２】
前記コート層は、前記第１コート層上に、金からなる第２コート層を形成してなることを特徴とする請求項１に記載のセパレータ。
【請求項３】
前記コート層は、電極との接触予定箇所のみに形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセパレータ。
【請求項４】
請求項１から４のいずれかに記載のセパレータを備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池が複数積層されてなる燃料電池スタックであって、
隣り合う前記セパレータ基材の裏面同士がろう付け接合されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
流体流路が形成されてなるセパレータの製造方法であって、
金属製のセパレータ基材の表面に、導電性を有しかつ金の拡散を抑制する下地材に金を添加した混合材からなる第１コート層を有するコート層を形成する形成工程を含むことを特徴とするセパレータの製造方法。
【請求項７】
前記コート層形成工程は、前記第１コート層上に、金からなる第２コート層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項６に記載のセパレータの製造方法。
【請求項８】
前記コート層形成工程において、前記セパレータ基材のうち電極との接触予定箇所のみに前記コート層を形成することを特徴とする請求項６または請求項７に記載のセパレータの製造方法。
【請求項９】
請求項１から３のいずれかに記載のセパレータが一対接合されてなるセパレータ接合体の製造方法であって、
前記コート層が形成された前記セパレータ基材の裏面にろう材を塗布するろう材塗布工程と、
前記ろう材によって一対の前記セパレータ基材の裏面同士をろう付けして接合する接合工程と、を含むことを特徴とするセパレータ接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用のセパレータ、該セパレータを備えた燃料電池、該燃料電池が複数積層されてなる燃料電池スタック、セパレータの製造方法、および一対のセパレータが積層されてなるセパレータ接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば固体高分子型の燃料電池は、電解質膜及びその両面に配置した一対の電極からなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータとで構成され、全体として積層形態とされる。
【０００３】
この種の燃料電池を構成するセパレータとしては、アルミニウムからなるセパレータ基材の表面に、ニッケルを含む下地金属層を介して金を含む主金属層を形成し、下地成形による主金属層の均一形成、密着性の向上及び主金属層における金等の高価な金属材料の使用量の削減を図ることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、電極と接触する部分の金メッキ層のみを肉厚に形成して高価な金属材料の使用量を削減したセパレータも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−１２３７８２号公報
【特許文献２】特開２００１−３４５１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の技術によれば、セパレータ基材への金の密着性の向上及び使用量の削減をある程度図ることができるが、さらなるコスト低減の要求から、セパレータ基材への金の良好な密着性を維持しつつ、高価な金の使用量をさらに削減することが求められている。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、セパレータ基材への金の良好な密着性を維持しつつ金の使用量の削減を図り、コスト低減を図ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明のセパレータは、流体流路が形成されてなるセパレータであって、金属製のセパレータ基材と、該セパレータ基材上に形成されたコート層とを有し、前記コート層は、導電性を有しかつ金の拡散を抑制する下地材に金を添加した混合材から形成された第１コート層を備える。
【０００８】
この構成によれば、下地材に金を添加した混合材からなる第１コート層を備えているので、この第１コート層に金メッキを施すことにより、金メッキの密着性が高められるとともに、金メッキからセパレータ基材側への金の拡散が抑制される。これにより、金メッキを薄くし、高価な金の使用量を大幅に削減して、コスト低減を図ることができる。
【０００９】
また、下地材への金の添加量を多くすれば、第１コート層に金メッキを施すことなく、この第１コート層のみで電極との良好な導電性を確保することができる。
【００１０】
前記コート層は、前記第１コート層上に、金からなる第２コート層を形成されていることが好ましい。
【００１１】
前記コート層は、電極との接触予定箇所のみに形成されていることが好ましい。
【００１２】
本発明の燃料電池は、上記のセパレータを備えたことを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、高価な金の使用量が大幅に削減されているので、コスト低減を図ることができる。
【００１４】
本発明の燃料電池スタックは、上記燃料電池が複数積層されてなる燃料電池スタックであって、隣り合う前記セパレータ基材の裏面同士がろう付け接合されていることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、セパレータ間の密着性及び導電性を高めることができる結果、セパレータ基材の裏面側に密着性及び導電性向上のために施される金の使用をなくす又は使用量を減らすことができ、コスト低減を図ることができる。
【００１６】
本発明のセパレータの製造方法は、流体流路が形成されてなるセパレータの製造方法であって、金属製のセパレータ基材の表面に、導電性を有しかつ金の拡散を抑制する下地材に金を添加した混合材からなる第１コート層を有するコート層を形成する形成工程を含む。
【００１７】
この方法によれば、下地材に金を添加した混合材からなる第１コート層を有するコート層を形成するので、この第１コート層に金メッキを施すことにより、金メッキの密着性が高められるとともに、金メッキからセパレータ基材側への金の拡散が抑制される。これにより、金メッキを薄くし、高価な金の使用量を大幅に削減して、コスト低減を図ることができる。
【００１８】
また、下地材への金の添加量を多くすれば、第１コート層に金メッキを施すことなく、この第１コート層のみで電極との良好な導電性を確保することができる。
【００１９】
前記コート層形成工程は、前記第１コート層上に、金からなる第２コート層を形成する工程を含むことが好ましい。
【００２０】
前記コート層形成工程において、前記セパレータ基材のうち電極との接触予定箇所のみに前記コート層を形成することが望ましい。
【００２１】
本発明のセパレータ接合体の製造方法は、上記セパレータが一対接合されてなるセパレータ接合体の製造方法であって、前記コート層が形成された前記セパレータ基材の裏面にろう材を塗布するろう材塗布工程と、前記ろう材によって一対の前記セパレータ基材の裏面同士をろう付けして接合する接合工程と、を含むことを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、セパレータ間の密着性及び導電性を高めることができる結果、セパレータ基材の裏面側に密着性及び導電性向上のために施される金の使用をなくす又は使用量を減らすことができ、コスト低減を図ることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、セパレータ基材への金の密着性を高めるとともに、セパレータ基材側への金の拡散を抑制することができるので、高価な金の使用量を大幅に削減して、コスト低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明に係るセパレータ及びその製造方法の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２５】
（セパレータ）
まず、本発明に係るセパレータの構造について説明する。
【００２６】
（第１実施形態）
図１は、燃料電池を構成するセパレータを示す斜視図、図２は、第１実施形態に係るセパレータの断面図である。
【００２７】
図１に示すように、固体高分子型の燃料電池を構成するセパレータ１は、プレス成形することによって表裏各面に複数の凸部２及び凹部３が形成され、これら複数の凸部２及び凹部３は、それぞれ一方向に延在している。
【００２８】
このセパレータ１には、その表面側に、電解質膜及びその両面に配置した一対の電極からなるＭＥＡが配設され、凹部３が、セパレータ１の一端側に形成されたマニホールド４と連通され、酸化ガス（例えば、空気）または燃料ガス（例えば、水素）が流されるガス流路とされる。
【００２９】
また、このセパレータ１は、隣接する他の燃料電池を構成するセパレータ１と積層されて一体化され、互いのセパレータ１の凸部２の裏面側の凹部３によって囲われた部分が、冷却水が通される冷却流路とされる。
【００３０】
図２に示すように、セパレータ１は、例えば、アルミニウム、炭素鋼あるいはステンレス等から形成されたセパレータ基材１０を有している。このセパレータ基材１０は、その表面に、コート層１１を有している。このコート層１１は、第１コート層１２と第２コート層１３とから構成され、第１コート層１２を介して、第２コート層１３が形成されている。
【００３１】
第１コート層１２は、例えば、カーボンあるいはニッケルなどの導電性を有するとともに金の拡散を抑制する下地材に、金を添加した混合材から形成されている。なお、この第１コート層１２は、下地材として、カーボンを用いる場合は、セパレータ基材１０にコーティングすることにより形成され、ニッケルを用いる場合は、セパレータ基材１０にメッキすることにより形成される。また、下地材に添加する金は、例えば５０％以下の割合にて適宜添加されている。
【００３２】
第１コート層１２上に形成された第２コート層１３は、金から形成されたもので、第１コート層１２に金メッキを施すことにより形成されている。そして、このように、第１コート層１２及び第２コート層１３が形成されたセパレータ１には、その表面側（ガス流路面側）の凸部２にＭＥＡが積層される一方、裏面側（冷却流路面側）の凸部２に他の燃料電池のセパレータ１の裏面側（冷却流路面側）が接合される。
【００３３】
上記構造のセパレータ１によれば、下地材に金を添加した混合材からなる第１コート層１２を介して金メッキからなる第２コート層１３を形成したことにより、セパレータ基材１０に対する第２コート層１３の密着性が高められるとともに、第２コート層１３から第１コート層１２及びセパレータ基材１０への金の拡散が抑制される。
【００３４】
これにより、金メッキからなる第２コート層１３を薄くし、高価な金の使用量を大幅に削減して、コスト低減を図ることができる。
【００３５】
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係るセパレータの断面図である。以下、上記実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付すと共にその説明を省略するものとし、上記実施形態に対する構成および効果の相違点を中心に説明する。
【００３６】
図３に示すように、このセパレータ１は、セパレータ基材１０に第１コート層２１だけが形成されている。この第１コート層２１は、例えば、カーボンあるいはニッケルなどの導電性を有するとともに金の拡散を抑制する下地材に、金を添加した混合材から形成されている。
【００３７】
ここで、この第１コート層２１の下地材に添加する金は、第１実施形態のときよりも添加する量が多く、例えば５０％以下の割合にて適宜添加されている。
【００３８】
上記構造のセパレータ１によれば、下地材に相当量の金を添加した混合材からなる第１コート層２１を形成し、この第１コート層２１にＭＥＡを接触させる構造とすることにより、第１実施形態における第２コート層１３のような導電性向上のための金メッキを不要としたので、高価な金の使用量を大幅に削減して、コスト低減を図ることができる。
【００３９】
（第３実施形態）
図４は、第３実施形態に係るセパレータの断面図である。以下、上記実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付すと共にその説明を省略するものとし、上記実施形態に対する構成および効果の相違点を中心に説明する。
【００４０】
図４に示すように、このセパレータ１は、凸部１２の表面だけに、第１実施形態と同様の第１コート層１２及び第２コート層１３を形成したものである。つまり、このセパレータ１では、ＭＥＡ３１との接触箇所及び他のセパレータ１との接触箇所となる凸部１２の表面だけに、例えば、カーボンあるいはニッケルなどの導電性を有するとともに金の拡散を抑制する下地材に、例えば５０％以下の金を添加した混合材からなる第１コート層１２が形成され、この第１コート層１２上に、金メッキを施すことにより第２コート層１３が形成されている。
【００４１】
これにより、ＭＥＡ３１とセパレータ１の凹部３とから形成されるガス流路３２及び互いに突き合わされるセパレータ１の裏面側の凹部３によって形成される冷却流路３３の内面における第１コート層１２及び第２コート層１３がなくされている。
【００４２】
そして、このセパレータ１によれば、下地材に金を添加した混合材からなる第１コート層１２を介して金メッキからなる第２コート層１３を形成するとともに、導通が必要な箇所だけに第１コート層１２及び第２コート層１３を形成したので、金の密着性を高めて金メッキからなる第２コート層１３を薄くすることができるとともに、金を使用する面積の削減を図ることができ、これにより、高価な金の使用量を大幅に削減して、コスト低減を図ることができる。
【００４３】
また、ガス流路３２及び冷却流路３３の内面における第１コート層１２及び第２コート層１３がなくされるので、これらガス流路３２及び冷却流路３３の断面積を大きくすることができるとともに、各コート層１２，１３の厚みバラツキによる流路面積の変化をなくすことができ、発電の効率向上及び安定化を図ることができる。
【００４４】
なお、この実施形態では、凸部２の表面だけに第１コート層１２及び第２コート層１３を形成したが、凸部２の表面だけに、第２実施形態にて示したような、例えば、カーボンあるいはニッケルなどの導電性を有するとともに金の拡散を抑制する下地材に、例えば５０％以下の割合で金を添加した混合材からなる第１コート層２１を形成しても良い。
【００４５】
（セパレータ接合体）
次に、本発明に係るセパレータ接合体の構造について説明する。
【００４６】
図５は、本発明の一実施形態に係るセパレータ接合体とＭＥＡとを交互に複数積層させてなる燃料電池スタックの要部を示す断面図である。以下、上記実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付すと共にその説明を省略するものとし、上記実施形態に対する構成および効果の相違点を中心に説明する。
【００４７】
図５に示すように、一対のセパレータ１の冷却流路３３面（裏面）同士を接合させてなるセパレータ接合体４０の各セパレータ１は、セパレータ基材１０の表面側だけに、第１コート層１２及び第２コート層１３が形成されている。そして、これらセパレータ１は、互いに隣接するセパレータ基材１０の凸部２同士の突き合わせ部分がろう材４１によって接合されている。
【００４８】
このように、このセパレータ接合体４０によれば、下地材に金を添加した混合材からなる第１コート層１２を介して金メッキからなる第２コート層１３を形成するとともに、互いに突き合わされるセパレータ基材１０同士をろう材４１によって接合したので、セパレータ基材１０に対する第２コート層１３の密着性が高められて金メッキからなる第２コート層１３を薄くすることができるとともに、セパレータ基材１０の裏面側に密着性向上のために施される金の使用をなくすことができ、高価な金の使用量を大幅に削減して、コスト低減を図ることができる。
【００４９】
また、ガス流路３２及び冷却流路３３の内面における第１コート層１２及び第２コート層１３がなくされるので、これらガス流路３２及び冷却流路３３の断面積を大きくすることができるとともに、各コート層の厚さバラツキによる流路面積の変化をなくすことができ、発電の効率向上及び安定化を図ることができる。
【００５０】
なお、この実施形態の場合も、第２実施形態にて示したような、例えば、カーボンあるいはニッケルなどの導電性を有するとともに金の拡散を抑制する下地材に、例えば５０％以下の割合で金を添加した混合材からなる第１コート層２１を形成しても良い。
【００５１】
（セパレータの製造方法）
次に、セパレータの製造方法について、図６に沿って説明する。ここでは、セパレータの表面だけに第１コート層及び第２コート層を形成し、隣接するセパレータ同士をろう付けする場合について説明する。
【００５２】
（１）コート層形成工程
まず、図６（ａ）に示すようなステンレス等の金属板からなるセパレータ基材１０の表面に、図６（ｂ）に示すように、例えば、カーボンあるいはニッケルなどの導電性を有するとともに金の拡散を抑制する下地材に、金を添加した混合材をスパッタリングし、第１コート層１２を形成する。次に、図６（ｃ）に示すように、第１コート層１２の上面に、金メッキを施すことにより、第２コート層１３を形成する。
【００５３】
（２）ろう材塗布工程
第１コート層１２及び第２コート層１３を形成したら、図６（ｄ）に示すように、セパレータ基材１０の裏面に、例えば、メッキ、印刷、溶融吹付などによりろう材４１を塗布する。
【００５４】
（３）プレス加工工程
次いで、図６（ｅ）に示すように、セパレータ基材１０にプレス加工を施すことにより、凸部２及び凹部３等を形成する。
【００５５】
（４）接合工程
上記のようにしてセパレータ基材１０を成形したら、図６（ｆ）に示すように、互いに隣接するセパレータ基材１０の裏面同士を突き合わせた状態にて、ろう材４１を溶融させ、その後、冷却して硬化させる。このようにすると、ろう材４１によってセパレータ基材１０同士が互いに接合される。
【００５６】
なお、ろう材４１によるセパレータ基材１０同士のろう付け方法としては、例えば、抵抗加熱、高温炉による加熱あるいは高周波加熱による方法がある。また、ろう付け時の雰囲気としては、大気、真空あるいは燃料ガスや窒素ガス等の活性雰囲気とすることが良く、また、セパレータ基材１０同士の接合面には、フラックスを塗布しておくことが好ましい。
【００５７】
そして、上記のようにろう付けすることにより、互いのセパレータ基材１０同士を接合すれば、接合時に、溶融したろう材４１の表面張力によって、互いのセパレータ基材１０同士が、いわゆるセルフアライメント効果によって自然に位置決めされるので、接合面積を広く安定した状態とすることができる。また、セパレータ基材１０同士の接合時に、互いのセパレータ基材１０同士を加圧することにより、これらセパレータ基材１０間における接触抵抗の変化を極力少なくすることができる。
【００５８】
なお、上記の例では、セパレータ基材１０に第１コート層１２及び第２コート層１３を形成する場合を例にとって説明したが、例えば、カーボンあるいはニッケルなどの導電性を有するとともに金の拡散を抑制する下地材に、数十％（例えば５０％以下）の割合で金を添加した混合材からなる第１コート層２１だけを形成しても良く、この場合は、コート層形成工程において、第１コート層２１を形成した後に、セパレータ基材１０の裏面にろう材４１を塗布するろう材塗布工程に移行する。
【００５９】
また、上記の例では、セパレータ基材１０の裏面全体にろう材４１を塗布したが、接合箇所だけにろう材４１を塗布しても良い。
【００６０】
この場合、コート層形成工程後に、図７（ａ）に示すように、セパレータ基材１０にプレス加工を施して凸部２及び凹部３を形成するプレス加工工程を行い、その後、図７（ｂ）に示すように、セパレータ基材１０の裏面における凸部２だけにろう材４１を塗布するろう材塗布工程を行う。そして、このように裏面における凸部２だけにろう材４１を塗布したら、互いのセパレータ基材１０同士を突き合わせた状態にて、ろう材４１を溶融させ、その後、冷却して硬化させることにより接合させる（図６（ｆ）参照）。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】燃料電池を構成するセパレータを示す斜視図である。
【図２】第１実施形態に係るセパレータの断面図である。
【図３】第２実施形態に係るセパレータの断面図である。
【図４】第３実施形態に係るセパレータの断面図である。
【図５】セパレータ接合体を含む燃料電池スタックの要部を示す断面図である。
【図６】セパレータの製造方法について説明する概略工程図である。
【図７】セパレータの製造方法の変形例について説明する概略工程図である。
【符号の説明】
【００６２】
１…セパレータ、１０…セパレータ基材、１１…コート層、１２，２１…第１コート層、１３…第２コート層、３１…電極、４１…ろう材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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